不同運量跨座式單軌供電系統方案研究

郭 鑫，李經緯，陳鵬元

0 引言

我國城市軌道交通建設以前所未有的規模和速度發展，建設總里程近10年間增加了3倍。隨著城市建設的不斷發展，道路擁擠程度的加大，公眾對于公共交通出行的依賴性日趨增強。在中小型城市，適用于中運量規模的跨座式單軌系統受到了越來越多的青睞。相對傳統軌道交通模式，跨座式單軌系統具有比地鐵成本低、工期短，比輕軌高架線路占地少、污染小、能有效利用道路中央隔離帶、適于建筑物密度大的狹窄街區的優點，是客流中等的交通線路和中等城市主要交通線路的較好選擇。我國當前跨座式單軌設計標準是基于大運量軌道交通系統制定，若以現行標準建設中低運量軌道交通供電系統，會造成投資過高、資源浪費等問題，增加車站占地面積，增大土建規模，直接影響整個系統的投資規模，進而影響到跨座式單軌是否適應于中小城市、中等運量的軌道交通線路，是否可以大規模地推廣應用。因此，對不同運量跨座式軌道交通供電系統建設標準、可靠保障等關鍵技術進行研究具有一定現實意義。

1 外部電源供電方式選擇

目前，我國軌道交通供電系統常用供電方式為110/35 kV兩級電壓集中供電方式和10 kV分散供電方式。集中供電方式系統外部接口少、供電可靠性高、設備維護工作量較大、主變電所一次性建設投入高，但可以通過資源共享降低線網平均建設成本。分散供電方式對城市電網發達程度要求較高、系統外部接口多、設備維護工作量較小、單線投資成本較低，但難以進行資源共享以節約投資。本節將從電源容量、投資影響等方面分析不同外部電源供電方式與不同運量跨座式單軌線路的匹配性。

1.1 電源容量匹配性分析

GB 50157—2013《地鐵設計規范》、GB 50458—2008《跨座式單軌交通設計規范》中對集中供電方式110 kV電源作出明確要求，即每座主變電所應有2路獨立電源，其中至少有1路為專用電源。實際應用中，為保證軌道交通的可靠運行，大部分城市電網會向主變電所提供2路專用110 kV電源。

從電力系統電壓等級劃分來看，我國110 kV電壓等級屬于輸電電壓等級。在建設220 kV及以上變電站時，110 kV出線間隔作為一種非常重要的電力資源，往往配置高容量的送電設備，單路間隔出線電纜多采用630 mm2截面，修正后經濟載流量為688 A，輸電能力不小于42 MW。考慮主變電所電源相互支援互為備用的工作方式，當一條軌道交通線路高峰小時需用負荷不超過25 MW時，正常工況下主變電所單路進線負荷小于12.5 MW，不足110 kV線路輸電能力的30%。在線路不具備資源共享條件時，采用集中供電方式既不經濟也不合理，因此應優先考慮采用分散供電方式。相比較不同運量線路負荷需求，對高運量、大運量以及運力在2.2萬人/h以上的中高運量線路，采用集中供電方式較為合理；低運量線路需用負荷較小，采用分散供電方式更為合理。

1.2 工程投資分析

根據北京市軌道交通建設經驗，在不考慮自建電纜隧道的前提下，分散供電方式每路10 kV專用電源的投資約為600萬元，當需要局部自建電纜隧道時，每路電源投資達1 500萬元以上。10 kV電源投資中位數約為900萬元/路，分散供電每路外電源的投資中位數在一條20 km的地鐵線路需建設6座開閉所，引入12路10 kV外電源，外部電源總計投資約為1.08億元。

集中供電方式主變電所總投資包含外電線路投資、主變電所本體投資兩部分。外電線路投資受城市電源分布、電力走廊建設情況影響，各地差異較大。在國內地鐵及單軌線路外部電源平均投資指標中，主變電所投資中位數在1.1億元/座。一條20 km的地鐵線路需建設2座主變電所，外部電源總計投資約為2.2億元。

以國內已開通或在建的軌道交通線路為例，分別對應高運量地鐵線路，大、中、低運量單軌線路，采用相同線路長度進行歸算，得出一條長度20 km線路在不同運量、不同制式下的需用負荷容量，結合不同運量線路需用功率和軌道交通建設經驗，在不考慮資源共享時，對各條線路采用分散供電和集中供電方式下的外電源投資進行對比，相關數據如表1所示。

表1 不同供電方式外電源投資對比

從表1可以看出：就單條線路而言，分散供電方式投資經濟性較好，但對中大運量及高運量軌道交通線路，當考慮2～3條線路資源共享時，集中供電方式線網外電源總投資更具優勢；對中低運量線路而言，即使考慮資源共享，分散供電總投資仍具一定優勢。

1.3 分析結論

（1）運送能力在1.8萬人/h以下的中、低運量跨座式單軌線路宜采用10 kV分散供電方式；

（2）當具備資源共享條件時，運送能力在2萬人/h以上的中、大運量跨座式單軌線路宜采用集中供電方式；

（3）當不具備資源共享條件時，運送能力在2萬人/h以上的中、大運量跨座式單軌線路宜采用10 kV分散供電方式。

2 中壓網絡接線方式選擇

軌道交通中壓供電網絡接線多采用大分區雙環網接線方式。分散供電線路10 kV電源電纜常用截面為300 mm2，環網電纜常用截面為240 mm2、185 mm2，正常工況下最大載流不超過300 A，供電距離3～5 km，單路電纜平均輸電容量1.30 MW/km；故障工況下最大載流不超過550 A，供電距離8～10 km，單路電纜平均輸電容量1.06 MW/km。集中供電線路35 kV環網電纜常用截面為300、240、185 mm2，正常工況下最大載流不超過300 A，供電距離10～15 km，單路電纜平均輸電容量1.45 MW/km；故障工況下最大載流不超過550 A，供電距離20～30 km，單路電纜平均輸電容量1.33 MW/km。采用地鐵雙環網接線及分區方式的中壓網絡輸電能力與各條線路需用功率指標的匹配情況如表2所示。

表2 雙環網輸電能力與線路功率指標對比

從表2看出，軌道交通的雙環網輸電能力與高運量線路負荷需求相匹配，遠超中低運量單軌線路需用功率。對客流斷面為2.24～2.82萬人/h的中運量和大運量單軌線路而言，通過適當減小環網電纜截面并提高供電距離即可使雙環網輸電能力與線路需用功率相匹配。而對于客流斷面為1萬人/h以下的低運量單軌線路而言，在10 kV電壓等級合理供電半徑內，即使采用150 mm2的小截面環網電纜，線路需用負荷仍難以匹配雙環網輸電能力，此時中壓環網接線應考慮采用單環網接線方式，不僅輸電能力更加契合線路負荷需求，還能減少電纜用量和開關設備數量，有效降低供電系統投資。

基于上述分析可以得出以下結論：

（1）運送能力在1萬人/h以下的低運量跨座式單軌線路宜采用10 kV單環網接線方式；

（2）運送能力在1～1.8萬人/h的中運量跨座式單軌線路經技術經濟比較后，可采用雙環網接線方式；

（3）運送能力在2萬人/h以上的中運量、高運量跨座式單軌線路宜采用雙環網接線方式。

3 供電系統保障措施

大運量單軌線路和運力較大的中運量單軌線路多采用雙電源雙環網供電方式。為保障線路正常運行，在工程建設、運營中一般從系統配置、設備選用、設備維護、人員管理4個方面入手，提高供電系統可靠性。相比較而言，中低運量單軌線路采用單環網供電具有顯著成本優勢，故障情況下該接線方式可通過倒閘作業快速恢復供電，但仍難以滿足一級負荷對雙電源、雙回路供電的高可靠性要求。大運量軌道交通主要依靠高冗余度設備配置、高可靠性設備選用、高質量設備維護和高素質作業人員來保證供電系統的可靠性。4個方面可靠性保障措施中，高質量維護和高素質作業人員屬人為因素，可通過加強培訓、完善制度、加強監管實現，中低運量單軌運營單位也可以做到；系統設備配置與設備選用屬客觀因素，直接與建設投資相關。受成本因素限制，中低運量單軌供電系統難以在設備配置冗余度上進行全面提升，只能通過采用高可靠性設備及提升系統部分供電冗余能力來保障供電系統可靠運行。

通過分析中低運量單軌線路牽引負荷及配電負荷特點，結合城市電網10 kV環網供電及參考膠輪有軌電車供電系統設計方案，本文提出2種優化的單環網供電方案，可在節省投資的前提下使供電系統滿足一級負荷的配電要求。

3.1 引入城市環網作熱備電源的方案

該方案0.4 kV母線采用單母線分段接線方式。供電系統10 kV側通過環網柜或T接方式引入城市環網或架空線路10 kV電源，經小容量配電變壓器降壓后作為0.4 kV母線的第2路獨立電源，用于一級負荷雙電源供電。該方案系統如圖1所示。

圖1 方案一供電系統

該方案主要特點：

（1）適用于車站數量較少、站間距較大的中低運量單軌線路，非專用電源點引入數量較少，相比雙環網供電具有突出的成本優勢；

（2）10 kV專用電源具備相互支援的能力，可在N-1故障下通過倒閘作業繼續運行；

（3）牽引負荷由10 kV專用電源供電；

（4）正線牽引網采用雙邊供電，故障時采用大雙邊供電方式，具備N-1故障運行能力；

（5）信號集中站變電所由2路專用電源供電，10 kV母線采用單母線分段接線方式，保障道岔等信號系統高用電量關鍵設備的供電安全；

（6）其他車站變電所由1路專用電源和1路非專用電源供電，其中非專用電源僅供一級配電負荷使用，并構成專用電源所帶一級配電負荷的熱備用電源。

3.2 使用能饋裝置作備用電源的方案

該方案0.4 kV母線采用單母線接線方式，在變電所設低壓能饋裝置作為0.4 kV母線的備用電源。方案系統如圖2所示。

圖2 方案二供電系統

該方案主要特點：

（1）適用于客流量較小的中運量單軌線路，與傳統變電所設備配置方案相比，僅在降壓變電所增加小容量能饋裝置，即可構成“交流環網+直流牽引網”的雙電源供電方式，可有效降低成本；

（2）10 kV專用電源具備相互支援的能力，可在N-1故障下通過倒閘作業繼續運行；

（3）正線牽引網采用雙邊供電，故障時采用大雙邊供電方式，具備N-1故障運行能力；

（4）信號集中站變電所由2路專用電源供電，10 kV母線采用單母線分段接線方式，保障道岔等信號系統高用電量關鍵設備的供電安全；

（5）0.4 kV負荷正常情況下由配電變壓器供電，配電變壓器故障退出時，能饋裝置切換為孤島運行模式，為0.4 kV母線提供備用電源。

4 結語

從上述分析可以看出，中低運量跨座式單軌線路的供電方案選擇可遵循以下幾點：（1）中低運量跨座式單軌線路宜采用分散供電方式，中壓網絡宜采用10 kV單環網接線方式；（2）當具備資源共享條件時，中高運量跨座式單軌線路宜采用集中供電方式，中壓網絡宜采用35 kV雙環網接線方式，并可適當降低環網電纜截面、提高環網供電距離；（3）當不具備資源共享條件時，中高運量跨座式單軌線路宜采用分散供電方式，中壓網絡宜采用10 kV雙環網接線方式。

對于中低運量跨座式單軌線路的供電系統優化可遵循以下幾點：（1）中低運量單軌供電系統應通過簡化設備配置或接線方案，減少設備數量及房屋面積，降低供電系統投資；（2）應結合中低運量單軌線路負荷較輕的特點，采用低成本電源方案解決供電系統一級負荷供配電需求，本文所述2種單環網優化供電方案可提供一定參考。